大断面软岩巷道U型钢桁架锚索支护技术研究

mm×4150 mm，净断面为 4 400 mm×4 000 mm。巷道 线几乎就是一条直线，左右两帮的移进量为 20 mm，说
位于 9 煤底板以下、10 煤顶板以上岩层中，上距 9 明巷道基本稳定。如图 2 所示。
煤 15~40 m，下距 10 煤 40~70 m。岩性主要为泥岩，
灰色，块状，局部含砂成分略多，含少量植物根部化
巷道正上方，可能随顶板垮落而失效。
400 mm/10 mm 组合使用，以加强支护。
（2）U 型钢与顶板形成线接触，作用范围大，松 3.2.4 U 型钢桁架参数
散破碎顶板受力状态好；而锚索与顶板围岩是点接
实际支护中，采用 1 根 U 型钢桁架＋3 根锚索的
触，外端顶煤易破碎，并导致锚索松动。
系统，桁架采用 29 U，弧长 3 600 mm，并采用短 U 型
0 引言
阳泉矿区的二次动压巷道是为排放煤层的瓦斯 所布置的巷道。瓦斯尾巷承受两次回采工作面动压以 及采空区支撑压力的影响，巷道首先处于一采场附近 的支撑应力区，它是采场引起的高应力区。由于巷道承 受二次采动矿压，使得巷道矿压显现极为剧烈，变形 破坏严重，给巷道支护带来极大困难。瓦斯尾巷的二 次动压是支护设计和参数优化的重要因素[1]。
（3）桁架锚索斜穿过锚固岩梁最大剪应力区，不 钢作为垫板固定锚索。
受顶板离层的影响，其锚索和岩梁共同承担剪应力， 因此可以有效的控制顶板剪切破坏。
4
U 型钢桁架支护效果检验
（4）使中性轴位置下降，降低锚固区内的最大拉
为检验桁架锚索支护的效果，在桁架锚索支护
应力，提高锚固区内岩体的稳定性。
段对围岩变形进行观测。锚网梁喷支护的巷道从开
ZHANG Yin-hai, MENG Xiang-rui, ZHAO Guang-ming, WANG Xiang-qian
（College of Energy and Security, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China）
调变形。桁架锚索能在巷道顶板的水平和铅直方向 准１７．８ ｍｍ，规格为 YMS准17.8 mm，钢绞线强度级别
同时提供挤压应力，因此可以使得锚固区内的岩体 为 1 860 MPa。
处于铅直和水平挤压状态，并且由于其预紧力引起 3.2.2 锚索预应力的确定
的主动力可以有效的控制顶板的初始下沉[5]。它由 U
Abstract:Due to be influenced by the second mining pressure, the strata behavior is very strenuous, serious deformation, and leads difficulty in roadway maintenance. Aimming at the gas tail roadway of Yangquan mining area, by using theoretical analysis, orthogonal test and the FLAC numerical simulation calculation, the problem of supportting parameter optimization of mining induced roadway is studied, the best support parameters to support the mining induced roadway are obtained. Key words:mining induced roadway; bolt support; orthogonal test; numerical simulation; parameter optimization
支护方式，能对巷道围岩进行有效的控制，取得良好的支护效果。
关键词:软岩巷道；U 型钢；桁架支护
中图分类号:ＴＤ３５３
文献标识码:A
文章编号:1008-8725（2011）03-0079-03
Study on Large Section Roadway Support System With U-steel, Truss and Anchor Cable
Abstract:The reasons for large section tunnel destruction and the support mechanism of U-steel ,truss and anchor cable are analyzed. A roadway support engineering was carried out with the support way. It shows that U-steel, truss and anchor cable support system can effectively control the surrounding rock, the good suppoot offect is obtained. Key words:soft rock roadway; U-steel; truss support
ຫໍສະໝຸດ Baidu
道围岩在高应力的作用下进入了工程软岩状态，巷道 由于轨道上山的掘进深度大，地应力水平较高，围岩松
开掘后出现高地压、大变形、难支护的特点。通过工程 实践表明，在软岩巷道中使用预应力锚索 U 型钢桁架 支护系统控制围岩，能够取得良好的支护效果[1-3]。
动范围比浅部巷道明显增加，顶板围岩破碎，围岩抵抗 破坏能力很弱，单纯锚杆或锚索的支护能力非常有限。
（1）根据以前地应力测试结果，最大主应力大 于 10 MPa，与铅垂方向夹角超过 60°，铅垂应力分 量与水平应力分量相差较大，表明该区域以水平应
深部大断面巷道围岩处于破裂区，此部分岩石 的力学性能已经减弱，其抗拉强度、抗压强度和抗剪 强度都降低，各结构面增多。巷道顶板围岩在自重作 用下径向受拉，易出现拉应力，因此拉裂易沿结构面 破坏。并且随顶板围岩力学性能的改变，在相同或相 近的受力状态下，下位岩体易出现更大的弯曲变形， 使层状顶板变形不协调，出现离层破坏，在巷道顶部 易出现拉应力，而控制离层破坏最有效的方法是进 一步强化低位岩体的力学性能，改善其受力状态[4]。
3 工程实例
始就出现较大的变形，且围岩变形速度迅速达到了 最大值，左右帮内移量达到了 65 mm，顶底板的移进
3.1 工程概况
量为 69 mm，并存在继续增大的趋势。
某矿在三水平掘进轨道上山巷道，巷道标高在-
对桁架锚索支护段巷道围岩进行表面位移和深部
560～-900 m，巷道为直墙拱形断面，毛断面为 4 700 位移的观测。通过表面位移的观测可知，顶底板位移曲
石，裂隙较发育，f=2.6～3.0，孔隙率 4.5%左右，抗压强
度 26 MPa，抗拉强度 1.5～8.4 MPa，属不稳定岩层；区
域内岩层平均倾角为 20°，水文地质较简单。原支护
方式为锚网梁喷支护，采用此支护方式，巷道变形严
重，属于难支护巷道，此巷道已影响矿井的正常安全
图 3 U 型钢桁架锚索支护围岩变形曲线
摘 要:动压巷道由于承受二次采动矿压，巷道矿压显现剧烈、变形严重，给巷道的维护带来了极大困难。文章针对
阳泉矿区瓦斯尾巷，采用理论分析、正交试验及 FLAC 数值模拟计算的方法研究二次动压巷道锚杆支护参数优化
设计问题，得出最佳的支护参数，以更好地维护动压巷道。
关键词:动压巷道；锚杆支护、正交试验；数值模拟；参数优化设计
m，每根锚索使用 3 卷 Z2550 树脂药卷锚固，锚固强
图 1 U 型钢桁架锚索基本原理图
度≥120 kN。顶部 3 根锚索，采用 U29 制作成弧长 3
高预应力 U 型钢桁架锚索支护与普通锚索支 600 mm 的梁，并在 U 型钢规定位置钻 3 个孔，孔径
护相比，具有以下优点[5-6]：
准20 mm，每孔附加 300 mm 长的 U29 配套盘与索具
第 30 卷第 3 期 2011 年3 期
煤炭技术
Coal Technology
Vol.30,No.03 March,2011
大断面软岩巷道 U 型钢桁架锚索支护技术研究
张银海，孟祥瑞，赵光明，王向前
（安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001）
摘 要:分析了大断面巷道破坏原因及 U 型钢桁架锚索支护系统的支护机理。在软岩巷道中采用 U 型钢桁架锚索
（4）原有支护形成的承载结构不稳定，难以控制
1 大断面巷道破坏原因
围岩的强烈变形。
某矿掘进轨道上山巷道，标高为-560～-900 m， 2 U 型钢桁架锚索支护系统的支护机理
巷道净断面为 B×H=4 400 mm×400 mm。该巷道周边 围岩地质条件复杂，属于软岩巷道，原支护方式为锚 网梁喷支护，由于巷道地压较大，而且受到采掘的扰 动影响，巷道已发生不同程度的破坏，表现为顶板下 沉、底鼓、两帮开裂，局部有掉顶现象，架棚段巷道棚 子受压严重，已严重影响矿井的安全和正常生产。巷 道破坏主要的原因如下：
成 形 时 ，应 力 状 态 从 三 维 转 向 二 维 ，在 构 造 应 力 的
0 前言
作用下，极易发生破坏而产生非线性弹塑性变形[1]。
（2）轨道上山围岩岩性较差，围岩松动圈发育范
随着煤炭连续开采，浅、表部煤炭资源越来越少， 围较广。
目前已转向深部煤层的开采。随着开采深度的加大，巷
（3）锚网索支护没有改变顶板的破碎和受力效果。
力为主，应力场呈现为构造应力场型。岩层在巷道
高预应力 U型钢桁架锚索是将处于受压状态的
收稿日期:2010-07-15;修订日期:2011-02-04 基金项目：国家自然科学基金 （51004004，50804003）；教育部新世纪优秀人才项目 （NCET-08-0819）；霍英东教育基金 （121050）；安徽省教育厅重点项目（KJ2010A081）；淮南市科技项目（2009A05015，2009A05014） 作者简介:张银海（1986-），男，江苏常州人，硕士研究生，研究方向：矿山压力与岩层控制。
锚索预应力是发挥锚索支护效果的关键，其主
型钢，锚索组成，如图 1 所示。
要作用如下：①顶板岩层中不发生离层；②顶板岩层
中的拉应力区和拉应力值应尽量小。经有限元优化
计算，确定锚索的预应力为 150 kN。
3.2.3 锚索间排距
根据经验，在一般不稳定（IV）围岩中，巷道跨度
在 4~6 m 之间，锚索的间排距可以选择为 1.6 m×1.6
（1）U 型钢桁架内锚固点为巷道两肩窝深部岩 配压住，形成固定顶板“U 型钢桁架锚索”整体结构，帮
体，此部分岩体处于三向受压状态，十分可靠，可以 部 2 两根锚索采用锚索托盘，采用 1块 TPF-200 mm×
为桁架锚索提供稳固的锚固点，而锚索内锚固点在 200 mm/10 mm 托盘配合 1 块大托盘 TPF-400 mm×
中图分类号:ＴＤ３５３
文献标识码:A
文章编号:1008-8725（2011）03-0081-02
Study on Support Parameter Optimization of Mining Induced Roadway
YANG Yu-liang
（College of Applied Technology, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008， China）
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煤炭技术
第 30 卷
巷道两肩窝深部岩体作为锚固点和承载结构的基 3.2.1 锚索规格
础，采用高预应力 U 型钢桁架锚索，直接作用于顶
锚索规格主要包括锚索长度和锚索直径。根据
板浅部的围岩，提供水平预应力改善顶板的应力状 该矿类似条件下的新掘巷道围岩松动圈测试结果，
态，强化低位岩体的力学性能，控制层状顶板的不协 确定了该巷道选择的锚索长度为 7.6 m，直径为
生产。
通过深部位移的观测可知，各测点从浅部到深
3.2 U 型钢桁架锚杆支护参数设计
部位移量依次减小，浅部测点的位移量大于深部测
第 30 卷第 3 期 2011 年3 期
煤炭技术
Coal Technology
Vol.30,No.03 March,2011
采动巷道支护参数优化设计研究
杨玉亮
（中国矿业大学 应用技术学院，江苏 徐州 221008）